1 óra Levegőkémia, légkörkémiai folyamatok modellezése
I.rész A légkör szerkezete
TROPOSZFÉRA: A légkör függőleges tagozódása HOMOSZFÉRA A légkör alsó, sűrű, felszíntől átlagosan 12 km magasságig terjedő része. A felhőképződés, csapadékjelenségek itt zajlanak. Felső határa a tropopauza. A légmozgások iránya vízszintes vagy függőleges. A légkör tömegének 4/5-ét foglalja magában. SZTRATOSZFÉRA: A tropopauzátol 35 km magasságig terjedő része a légkörnek. Hőmérséklete emelkedik, felhőképződés kivételes esetekben zajlik. Vízgőztartalma rendkívül alacsony. A vízszintes irányú mozgások erősek, a szélsebesség eléri a 360 km/h értéket is. MEZOSZFÉRA: A homoszféra legfelső része, amelyben a hőmérséklet a növekvő magassággal általában csökkenő irányú. Ennek a rétegnek a magassága kb. 85 km, itt az úgynevezett mezopauzában a hőmérséklet minimumára 80 C-ra csökken.
HETEROSZFÉRA TERMOSZFÉRA: A légkör 82 km-től 500 km-ig terjedő része. Az anyagi összetétel lassan változik, az oxigén és a nitrogén nagy mennyiségben van jelen, de már csak magányos molekulák formájában. Hőmérséklete emelkedik, 100 km-en +70 Celsius-fok. Több ionizált réteget tartalmaz, melyek a rádiózásban rendkívül fontosak. EXOSZFÉRA: A felső légkör 500 km feletti részének neve, mely rendkívül ritka, de ennek ellenére tartalmaz atomos oxigént és nitrogént. Hőmérséklete azonos a termoszféra hőmérsékletével. Három alcsoportra osztható: a, Helioszféra, b, Protonoszféra, c, Magnetoszféra.
II. rész A légkör kinetikája
Anyagfajták Koncentráció (ppb) Nitrogén Oxigén Argon Szén-dioxid Ózon Szén-monoxid Kén-dioxid Nitrogén-dioxid Nitrogén-monoxid Tiszta levegő 7,81 10 8 2,09 10 8 9,34 10 6 3,32 10 5 20-80 120 1,0-10 0,1-0,5 0,01-0,05 Szennyezett levegő 7,81 10 8 2,09 10 8 9,34 10 6 3,32 10 5 100-500 10 3-10 4 20-200 50-250 50-750 1.1. táblázat A legfontosabb levegőt alkotó gázok és a légszennyezők átlagos koncentrációja a troposzférában.
A sztratoszféra kémiája Az ózont az oxigén kb. 242 nm-nél rövidebb hullámhosszú fény hatására bekövetkező fotodisszociációja és az azt követő, molekuláris oxigénnel lejátszódó trimolekulás kombinációs reakciója termeli: O 2 + hv 2 O O + O 2 + M O 3 + M Az ózonkoncentráció nagyságát két további reakció is behatárolja: O 3 + hv O + O 2 O + O 3 2O 2 CHAPMAN mechanizmus
A sztratoszféra jelentős ózonkoncentrációját más anyagok viszonylag kicsi, nyomnyi mennyiségei is megzavarhatják az alábbi típusú katalitikus körfolyamatokon keresztül: X + O 3 XO + O 2 XO + O X + O 2 nettó reakció: O + O 3 2O 2, X: atom vagy szabad gyök X: NO, Cl XO: NO 2, ClO
CFC (1989-es Montreáli Egyezmény) CF 2 Cl 2 + hv CF 2 Cl + Cl Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 Ez a körfolyamat sokszor megismétlődhet, amíg a klóratomok vagy a ClOgyökök elreagálnak egy másik anyaggal, és ún. tárolómolekulát adnak: Cl + CH 4 HCl + CH 3 ClO + NO 2 + M ClONO 2 + M
A troposzféra kémiája RH R. 2HO. H 2 O O( 1 D) NO hν O( 3 P) O 1 2 O 2 -NO M 3 O 2 hν 2 NO + NO + O 2 2NO 2 RO 2. NO O 3 O 2 hν 1 hν NMVOC + NO X O 3 + PAN + HNO 3 +... O 2 RO. NO 2 O 2
NO 2 + hv NO + O ( λ < 430 nm ), O + O 2 +M O 3 + M, O 3 + NO NO 2 + O 2 [O 3 ] [NO 2 ]/[NO] pl. városban nagy az NO koncentráció, mivel az emisszió túlnyomó része NO formájában emittálódik jelentős ózonfelhalmozódás csak nagy [NO 2 ]/[NO] hányados mellett alakulhat ki Az antropogén eredetű NOx túlnyomó része NO formában kerül a légkörbe. Ezért nagy [NO2]/[NO] hányados kialakulásához létezniük kell a troposzférában olyan oxidáló anyagfajtáknak, amelyek gyors reakcióban képesek a nitrogén-monoxidot nitrogén-dioxiddá oxidálni.
Ezt a szerepet a peroxi-gyökök (HO 2 és RO 2 ) töltik be, ahol R tetszőleges szerves csoportot jelöl. A peroxi-gyökök a troposzférában az illékony szerves vegyületek és a szén-monoxid oxidációs folyamatában képződnek. Ezen reakciókban az OH-gyökök fontos szerepet játszanak. O + H 2 O 2 OH OH + RH H 2 O + R R + O 2 RO 2 RO 2 + NO NO 2 + RO OH + CO CO 2 + H H + O 2 HO 2 HO 2 + NO NO 2 + OH Mindkét esetben az OH gyök indítja a reakciósort, amelyben peroxi-gyök képződik, amely képes az NO-t NO 2 -vé oxidálni
O 3 +O 2 O NO 2 +hν +HO 2 +RO 2 NO
a.) ROC: RP: SGN: SNGN: Generic Reaction Set (GRS) ROC + hv RP+ROC (1) RP + NO NO 2 (2) NO 2 + hv NO + O 3 (3) NO + O 3 NO 2 (4) RP + RP RP (5) RP + NO 2 SGN (6) RP + NO 2 SNGN (7) Reaktív szerves anyagok Gyökök Stable Gaseous Nitrogen Products Stable Non-gaseous Nitrogen Products
b.) CBM-Leeds 23 anyagfajta / 59 reakció c.) Master Chemical Mechanism (MCM) 128 anyagfajta / 405 reakció
III. rész Levegőminőség
a.) Légszennyezők Kén-dioxid: A légkörbe a nagy kéntartalmú szenek elégetése, kénsav gyártása, a kénsavas fémmaratás, a papírgyártás során kerül. Kisebb mennyiségben az olajtüzelésből származik. Nitrogén-oxidok: Különböző nitrogén-oxidok keletkeznek villámlás, tüzelés, ammónia elégetése, salétromsavas oldás, salétromsavgyártás, műtrágyagyártás során. Tüzelés során a NO keletkezhet a tüzelőanyag nitrogéntartalmából, a levegő nitrogén- és oxigéntartalmából (termikus NO) és a szénhidrogének katalizáló hatására a lángban (promt NO). Szén-monoxid: Nem tökéletes égés során keletkezik (erőművek, kohók, gépjárművek). Ammónia: Keletkezik rothadáskor, nitrogénműtrágyák előállításakor és felhasználásakor. Fluorvegyületek: Alumíniumkohászat, üveggyártás, zománcozás, szuperfoszfátgyártás során jutnak a légtérbe.
Szénhidrogének: NMCH és metán (!!!). Természetes és antropogén kibocsátás. Szén-dioxid: Természetes (pl.: légzés) és antropogén (égések) kibocsátás. Ózon: másodlagos légszennyező, AOT40, AOT60 (integrált ózonmennyiség)
b.) Elsődleges légszennyezők: pl.: NO x, SO 2, CO Másodlagos légszennyezők: pl.: ózon c.) Emisszió: kibocsátás Transzmisszió: a légkörbe került anyag fizikai és kémiai folyamatokban vesz részt. -kémiai reakciók -anyagtranszport (turbulens diffúzió, szélmező) -ülepedés (száraz, nedves) Immisszió: a környezeti levegőben kialakult szennyezőanyagkoncentráció
d.) A légszennyezés hatásai: Lokális hatás: Regionális hatás pl.: hőerőmű környezetében kialakuló környezetkárosító hatás pl.. fotokémiai szmog Kontinentális hatás: savas esők Globális hatás: globális felmelegedés ózonréteg elvékonyodása klímaváltozás
d.) Légköri emisszió Természetes: vulkanikus erdőtüzek tengeri emisszió eróziós folyamatok biogén kibocsátás Antropogén: energia előállítás ipari folyamatok közlekedés domestic (házi) tüzelés Források típusa: pontforrás; vonalforrás (pl.: műút); területi forrás
IV. rész Légkörkémiai folyamatok modellezése
A légszennyezés mértéke függ Kibocsátási körülmények: mennyiség, koncentráció, magasság, hőmérséklet, páratartalom. Levegőkémiai viselkedés: légköri élettartam, reakcióképesség, másodlagos folyamatok. Meteorológiai viszonyok: -diszperzió (szél, a légkör stabilitása, keveredési réteg vastagsága). -transzport: turbulens diffúzió, molekuláris diffúzió, ülepedés. Behatolás a receptorba (-ra): passzív, aktív.